JP2013050133A - 密封装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動に対する耐久性を有効に高めて初期の密封性を長期間維持し得る往復動用の密封装置を提供する。
【解決手段】ゴム状弾性材料からなり、摺動面１０がその内部よりも相対的に緻密質で硬質に表面処理された表面処理層１Ａからなり、かつ粗面１５が形成されている。表面処理層１Ａは剥離を生じるようなことはなく、しかも粗面化されているので、緻密質であるにも拘らず潤滑油の濡れ性が向上すると共に、硬質であるために粗面１５による微小凹凸の潰れが抑えられてその油保持機能が確保されるので、良好な潤滑油膜によって、摺動負荷を有効に低減して密封装置１の耐久性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に相対的に往復動する二部材間を密封するために使用され、例えば油圧シリンダ、空圧シリンダ等に使用される密封装置及びその製造方法に関するものである。

油圧シリンダ等の往復動装置に使用される密封装置として、従来から、例えば図５及び図６に示すようなリップパッキン１００が知られている。図５は未装着状態、図６は装着状態を示すものであって、このリップパッキン１００は軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状（図示の断面形状）が近似Ｕ字形をなすためＵパッキンとも呼ばれるゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなる環状のシール部材であり、基部１０１と、その軸方向一端から図５の未装着状態において先端側が小径になる円錐筒状に延びる内周リップ１０２と、同じく未装着状態において先端側が大径になる円錐筒状に延びる外周リップ１０３を備え、内周リップ１０２と外周リップ１０３の間は断面形状が略Ｕ字状の受圧溝１０４となっている。

そしてこのリップパッキン１００は、図６に示すように、例えば油圧シリンダ装置におけるピストン１１０の外周面に形成された環状の装着溝１１１に内周リップ１０２及び外周リップ１０３がシリンダ１２０の内周空間における高圧側Ｈを向くように装着され、基部１０１及び内周リップ１０２の内周面全面が装着溝１１１の底面１１１ａに密接され、基部１０１及び外周リップ１０３の外周面全面がシリンダ１２０の内周面１２０ａに摺動可能に密接される。

図６に示す装着状態では、リップパッキン１００は、高圧側Ｈから受圧溝１０４の内面に作用する油圧によって、基部１０１及び内周リップ１０２の内周面全面が装着溝１１１の底面１１１ａに押し付けられると共に、基部１０１及び外周リップ１０３の外周面全面がシリンダ１２０の内周面１２０ａに押し付けられるので、優れたシール性が発揮される(例えば下記の特許文献１参照)。

この種のリップパッキン１００は、高圧側Ｈの加圧時には、シリンダ１２０の内周面１２０ａに対する基部１０１及び外周リップ１０３の外周面の摺動負荷が大きくなるので、摩耗が早期に進行して密封性能が損なわれるおそれがある。そこで、このような摺動負荷を低減する方法としては、摺動面に、摩擦係数が著しく低いＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の皮膜でコーティングすると共に、このＰＴＦＥ皮膜に、潤滑油膜を保持するための粗面を形成することが知られている(例えば下記の特許文献２参照)。

しかしながら、ＰＴＦＥ皮膜のコーティング及びその粗面加工による技術では、パッキンの変形量や面圧が比較的低い条件では有効であるが、図６のようにシリンダ１２０の内周面１２０ａなどに対して全面接触するリップパッキン１００では、以下のような問題が指摘される。

第一の問題は、コーティングしたＰＴＦＥ皮膜とゴム状弾性材料は接着されているわけではないため、高圧側Ｈの圧力上昇時におけるシリンダ１２０の内周面１２０ａに対する摺動抵抗や、加圧〜除荷によるリップパッキン１００（ゴム状弾性材料）の繰返し変形に対してＰＴＦＥ皮膜が追随できず、剥がれてしまうおそれがあることである。

また第二の問題は、潤滑油膜を保持するためのＰＴＦＥ皮膜の粗面は、予めゴム状弾性材料の表面に金型による成形に際して微小凹凸を形成し、そこにＰＴＦＥ皮膜をコーティングすることにより形成されたものであるため、粗面による微小凹凸の剛性が小さく、高圧条件では微小凹凸がつぶれてしまい、スクイーズアウトによって潤滑油膜の保持機能が損なわれやすいことである。

また第三の問題は、上述のようにＰＴＦＥ皮膜の粗面は、予めゴム状弾性材料の表面に微小凹凸を形成し、そこにＰＴＦＥ皮膜をコーティングすることにより形成されたものであるため、ゴム状弾性材料の表面の粗さよりもＰＴＦＥ皮膜の厚さ分だけ粗さが小さくなってしまい、この点でも十分な潤滑油膜の保持機能が得られにくいことである。

また第四の問題は、予めゴム状弾性材料の表面に形成される微小凹凸の形態によっては、コーティングされるＰＴＦＥ皮膜の付着性が低下し、剥がれやすいことである。

一方、ＰＴＦＥ皮膜のコーティングによらず、ゴム状弾性材料の表面を化成処理あるいは空熱処理等の表面処理をして表面を緻密化(硬化)させることにより、摩擦係数を低下させる方法が知られている（例えば下記の特許文献３参照）。この方法によれば、無潤滑環境下では、表面未処理のものでは１．５程度であった摩擦係数を、０．２〜０．２５程度まで低下させることができる。

しかしこの方法によれば、無潤滑環境下ではゴム状弾性材料の表面を処理しないものとの比較において、潤滑油の濡れ性が悪く、すなわち油をはじきやすく、摺動面に潤滑油膜が介入しにくい状態（境界潤滑状態）になるため、低粘度油の使用や、低速・高圧摺動などにより油膜が薄くなる条件では、表面未処理のものに比較して却って摺動負荷が増大してしまう傾向があった。

特開平１１−１０１３４９号公報 特開２００９−５８０５１号公報 特開２００４−８２１７１号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、摺動に対する耐久性を有効に高めて初期の密封性を長期間維持し得る往復動用の密封装置を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る密封装置は、ゴム状弾性材料からなり、相手材との摺動面がその内部よりも相対的に緻密質で硬質に表面処理され、かつ粗面化されたことを特徴とするものである。なお、ゴム状弾性材料とは、ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料のことである。

また、請求項２の発明に係る密封装置は、請求項１に記載の構成において、摺動面に、円周方向へ連続して延びる環状凹部が形成されたことを特徴とするものである。

また、請求項３の発明に係る密封装置の製造方法は、請求項１の発明に係る密封装置を製造するための方法であって、摺動面が粗面化されたゴム状弾性材料からなる密封装置を金型内で成形する工程と、前記密封装置の表面を緻密化させる表面処理を行う工程からなることを特徴とするものである。

また、請求項４の発明に係る密封装置の製造方法は、請求項２の発明に係る密封装置を製造するための方法であって、請求項３の発明に係る密封装置の製造方法において密封装置を金型内で成形する際に、摺動面に円周方向へ連続して延びる環状凹部を形成することを特徴とするものである。

本発明に係る密封装置及びその製造方法によれば、ゴム状弾性材料からなる摺動面がその内部よりも相対的に緻密質で硬く表面処理されると共に粗面化されたことによって耐摩耗性の向上及び摩擦の低減を図るものであり、表面処理層は低摩擦材料のコーティングによるもののように剥離を生じるようなことはなく、緻密質であるにも拘らず粗面化によって潤滑油の濡れ性が向上すると共に、硬質であるために粗面による微小凹凸の潰れが抑えられてその油保持機能が確保されるので、良好な潤滑油膜が形成されやすく、その結果、摺動負荷を有効に低減して密封装置の耐久性を向上することができる。

本発明に係る密封装置の第一の実施の形態としてのリップパッキンを未装着状態で示すもので、軸心Ｏの左側にこの軸心Ｏを通る平面で切断した半断面を示し、軸心Ｏの右側に側面を示すものである。 本発明に係る密封装置の第一の実施の形態としてのリップパッキンを、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す装着状態の断面図である。 図１におけるIII部を拡大して示す模式的な断面図である。 本発明に係る密封装置の第二の実施の形態を、その一部を拡大して示す模式的な断面図である。 従来の密封装置の一例を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す未装着状態の断面図である。 従来の密封装置の一例を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す装着状態の断面図である。

以下、本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、本発明に係る密封装置の第一の実施の形態としてのリップパッキン１を示すものである。

すなわちこのリップパッキン１は、軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状（図１の左半分に示す断面形状）が近似Ｕ字形をなすためＵパッキンとも呼ばれるゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなる環状のシール部材であって、基部１１と、その軸方向一端から先端側が小径になる円錐筒状に延びる内周リップ１２と、先端側が大径になる円錐筒状に延びる外周リップ１３を備え、内周リップ１２と外周リップ１３の間は断面形状が略Ｕ字状の受圧溝１４となっている。

このリップパッキン１は、図２に示すように、例えば油圧シリンダ装置におけるピストン２の外周面に形成された環状の装着溝２１に内周リップ１２及び外周リップ１３がシリンダ３の内周空間における高圧側Ｈを向くように装着され、高圧側Ｈから受圧溝１４の内面に作用する油圧によって、基部１１及び内周リップ１２の内周面全面が装着溝２１の底面２１にａ密接され、基部１１及び外周リップ１３の外周面全面がシリンダ３の内周面３ａに摺動可能に密接され、これにより優れたシール性を発揮するものである。なお、この例ではシリンダ３が請求項１に記載された「相手材」に相当する。

シリンダ３の内周面３ａに対するリップパッキン１の摺動面１０は、その内部よりも相対的に緻密質で硬質に表面処理され、かつ粗面化されている。詳しくは図３に、図１におけるIII部の断面を拡大して示すように、シリンダ３の内周面３ａ（図２参照）に摺動可能に密接される基部１１及び外周リップ１３の摺動面（外周面）１０側の表層部には、内層部１Ｂに比較して相対的に緻密質で硬質の表面処理層１Ａが形成されており、その表面の全面に粗面１５が形成されている。

このため、シリンダ３の内周面３ａと摺動するリップパッキン１の摺動面１０、言い換えれば基部１１及び外周リップ１３の表面処理層１Ａは、内層部１Ｂに比較して相対的に緻密質で硬質であることによって低摩擦係数となっていることに加え、粗面１５が形成されたことによって、緻密質であるにも拘らず潤滑油の濡れ性が良く、このため良好な潤滑油膜の介入により摺動負荷を有効に低減することができる。

また、表面処理層１Ａは内層部１Ｂから連続した組織となっているものであるため、異なる材質のコーティング皮膜のように剥離を生じるようなことはなく、しかも高圧側から受圧溝１４の内面に作用する油圧によってシリンダの内周面に押し付けられても、表面処理層１Ａは硬質であるために粗面１５における微小凹凸の潰れが抑えられ、その良好な油保持機能が確保されるので、リップパッキン１の耐久性を向上することができる。

上記構成のリップパッキン１の製造においては、まずリップパッキン成形用金型内に型締めによって画成された成形用キャビティに、未加硫ゴム材料を充填し、加熱・加圧することによって、図１に示す断面形状のリップパッキン１を加硫成形する。このとき、基部１１及び外周リップ１３の摺動面１０の粗面１５は、前記成形用キャビティの内面における対応箇所の面に、ショットブラスト等による粗面加工を施しておくことによって形成することができる。

上述のようにして成形されたリップパッキン１は、少なくとも外周リップ１３の摺動面１０（粗面１５）を、架橋剤を含む処理液に浸漬することによって表面の架橋度を上げる方法や、プラズマ照射処理、又は放射線照射処理などの方法によって表面硬化処理を行う。これによって、前記粗面１５の表層部に、内層部１Ｂに比較して相対的に緻密質で硬質の表面処理層１Ａを所望の厚さで形成することができる。

次に図４は、本発明に係る密封装置の第二の実施の形態を、その一部を拡大して示す模式的な断面図である。

この第二の実施の形態によるリップパッキン１において第一の実施の形態と異なるところは、表面処理層１Ａからなる基部１１及び外周リップ１３の摺動面１０に、粗面１５と共に、円周方向へ連続して延びる複数の環状凹部１６が形成されたことにある。その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。

この構成によれば、リップパッキン１の摺動面１０に粗面１５と共に環状凹部１６が形成されているので、一層の高圧条件でも油保持機能が確保され、低摩擦性を維持することができる。

また、このリップパッキン１は、リップパッキン成形用金型による成形に際して、予め成形用キャビティの内面のうち、リップパッキン１の摺動面１０との対応箇所の面に形成された粗面及び突条によって粗面１５と共に環状凹部１６を形成し、上述の方法によって表面硬化処理を行うことで製造される。

１ リップパッキン（密封装置）
１Ａ 表面処理層
１Ｂ 内層部
１０ 摺動面
１１ 基部
１２ 内周リップ
１３ 外周リップ
１４ 受圧溝
１５ 粗面
１６ 環状凹部
２ ピストン
２１ 装着溝
３ シリンダ（相手材）

Claims (4)

1. ゴム状弾性材料からなり、相手材との摺動面がその内部よりも相対的に緻密質で硬質に表面処理され、かつ粗面化されたことを特徴とする密封装置。
2. 摺動面に、円周方向へ連続して延びる環状凹部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
3. 請求項１の発明に係る密封装置を製造するための方法であって、摺動面が粗面化されたゴム状弾性材料からなる密封装置を金型内で成形する工程と、前記密封装置の表面を緻密化させる表面処理を行う工程からなることを特徴とする密封装置の製造方法。
4. 請求項２の発明に係る密封装置を製造するための方法であって、発明に係る密封装置の製造方法において密封装置を金型内で成形する際に、摺動面に円周方向へ連続して延びる環状凹部を形成することを特徴とする請求項３に記載の密封装置の製造方法。

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